Nanomateriały ziem rzadkich Pierwiastki ziem rzadkich mają unikalną strukturę elektroniczną podwarstwy 4f, duży atomowy moment magnetyczny, silne sprzężenie orbity spinowej i inne cechy, co skutkuje bardzo bogatymi właściwościami optycznymi, elektrycznymi, magnetycznymi i innymi. Są niezbędnymi materiałami strategicznymi dla krajów na całym świecie do transformacji tradycyjnych gałęzi przemysłu i rozwoju zaawansowanych technologii, i są znane jako „skarbnica nowych materiałów”.
Oprócz zastosowań w tradycyjnych dziedzinach, takich jak maszyny metalurgiczne, petrochemia, ceramika szklana i lekkie tekstylia,pierwiastki ziem rzadkichto także kluczowe materiały pomocnicze w nowych dziedzinach, takich jak czysta energia, duże pojazdy, nowe pojazdy energetyczne, oświetlenie półprzewodnikowe i nowe wyświetlacze, ściśle związane z życiem ludzkim.
Po dziesięcioleciach rozwoju, punkt ciężkości badań związanych z pierwiastkami ziem rzadkich odpowiednio przesunął się z wytapiania i oddzielania pojedynczych pierwiastków ziem rzadkich o wysokiej czystości na zaawansowane technologicznie zastosowania pierwiastków ziem rzadkich w magnetyzmie, optyce, elektryczności, magazynowaniu energii, katalizie, biomedycynie, i inne pola. Z jednej strony w systemie materialnym obserwuje się większy trend w kierunku materiałów kompozytowych zawierających pierwiastki ziem rzadkich; Z drugiej strony bardziej koncentruje się na niskowymiarowych funkcjonalnych materiałach kryształowych pod względem morfologii. Zwłaszcza wraz z rozwojem współczesnej nanonauki, łączącej efekty małych rozmiarów, efekty kwantowe, efekty powierzchniowe i efekty interfejsu nanomateriałów z unikalną charakterystyką struktury warstwy elektronicznej pierwiastków ziem rzadkich, nanomateriały ziem rzadkich wykazują wiele nowych właściwości różniących się od tradycyjnych materiałów, maksymalizując doskonałe działanie materiałów ziem rzadkich i dalsze rozszerzanie jego zastosowania w dziedzinie tradycyjnych materiałów i nowej, zaawansowanej technologicznie produkcji.
Obecnie istnieją głównie następujące wysoce obiecujące nanomateriały ziem rzadkich, a mianowicie nanomateriały ziem rzadkich, nanomateriały katalityczne, nanomateriały ziem rzadkich,nanotlenek cerumateriały chroniące przed promieniowaniem ultrafioletowym i inne materiały nanofunkcjonalne.
Nr 1Materiały nanoluminescencyjne ziem rzadkich
01. Organiczne i nieorganiczne hybrydowe nanomateriały luminescencyjne ziem rzadkich
Materiały kompozytowe łączą różne jednostki funkcjonalne na poziomie molekularnym, aby osiągnąć uzupełniające się i zoptymalizowane funkcje. Organiczny nieorganiczny materiał hybrydowy pełni funkcje składników organicznych i nieorganicznych, wykazując dobrą stabilność mechaniczną, elastyczność, stabilność termiczną i doskonałą przetwarzalność.
Rzadka ziemiakompleksy mają wiele zalet, takich jak wysoka czystość koloru, długa żywotność stanu wzbudzonego, wysoka wydajność kwantowa i bogate linie widma emisyjnego. Są szeroko stosowane w wielu dziedzinach, takich jak wyświetlacze, wzmacnianie falowodów optycznych, lasery na ciele stałym, biomarkery i przeciwdziałanie podrabianiu. Jednakże niska stabilność fototermiczna i słaba przetwarzalność kompleksów pierwiastków ziem rzadkich poważnie utrudniają ich zastosowanie i promocję. Łączenie kompleksów pierwiastków ziem rzadkich z matrycami nieorganicznymi o dobrych właściwościach mechanicznych i stabilności jest skutecznym sposobem na poprawę właściwości luminescencyjnych kompleksów pierwiastków ziem rzadkich.
Od czasu opracowania organicznego, nieorganicznego materiału hybrydowego zawierającego pierwiastki ziem rzadkich, ich trendy rozwojowe wykazują następujące cechy:
① Materiał hybrydowy otrzymany metodą domieszkowania chemicznego ma stabilne składniki aktywne, dużą ilość domieszki i równomierny rozkład składników;
② Transformacja z materiałów jednofunkcyjnych w materiały wielofunkcyjne, rozwój materiałów wielofunkcyjnych w celu poszerzenia ich zastosowań;
③ Matryca jest zróżnicowana, od głównie krzemionki po różne podłoża, takie jak dwutlenek tytanu, polimery organiczne, glinki i ciecze jonowe.
02. Biały materiał luminescencyjny LED oparty na pierwiastkach ziem rzadkich
W porównaniu z istniejącymi technologiami oświetleniowymi, półprzewodnikowe produkty oświetleniowe, takie jak diody elektroluminescencyjne (LED), mają takie zalety, jak długa żywotność, niskie zużycie energii, wysoka skuteczność świetlna, brak rtęci i promieniowania UV oraz stabilna praca. Są uważane za „źródło światła czwartej generacji” po lampach żarowych, świetlówkach i wysokowydajnych lampach wyładowczych (HID).
Biała dioda LED składa się z chipów, substratów, luminoforów i sterowników. Proszek fluorescencyjny ziem rzadkich odgrywa kluczową rolę w działaniu białej diody LED. W ostatnich latach przeprowadzono wiele prac badawczych nad białymi luminoforami LED i poczyniono doskonałe postępy:
① Podczas opracowywania nowego rodzaju luminoforu wzbudzanego przez niebieską diodę LED (460 m) przeprowadzono badania nad domieszkowaniem i modyfikacją YAO2Ce (YAG: Ce) stosowanego w niebieskich chipach LED w celu poprawy wydajności świetlnej i oddawania barw;
② Opracowanie nowych proszków fluorescencyjnych wzbudzanych światłem ultrafioletowym (400 m) lub światłem ultrafioletowym (360 mm) systematycznie badało skład, strukturę i charakterystykę widmową czerwonych i zielono-niebieskich proszków fluorescencyjnych, a także różne proporcje trzech proszków fluorescencyjnych uzyskanie białej diody LED o różnych temperaturach barwowych;
③ Prowadzono dalsze prace nad podstawowymi zagadnieniami naukowymi w procesie przygotowania proszku fluorescencyjnego, takimi jak wpływ procesu przygotowania na topnik, w celu zapewnienia jakości i stabilności proszku fluorescencyjnego.
Ponadto w przypadku diod LED o białym świetle stosuje się głównie mieszany proces pakowania proszku fluorescencyjnego i silikonu. Ze względu na słabą przewodność cieplną proszku fluorescencyjnego, urządzenie będzie się nagrzewać w wyniku wydłużonego czasu pracy, co doprowadzi do starzenia się silikonu i skrócenia żywotności urządzenia. Problem ten jest szczególnie poważny w przypadku diod LED o dużej mocy białego światła. Zdalne pakowanie to jeden ze sposobów rozwiązania tego problemu poprzez przymocowanie proszku fluorescencyjnego do podłoża i oddzielenie go od źródła niebieskiego światła LED, zmniejszając w ten sposób wpływ ciepła generowanego przez chip na właściwości luminescencyjne proszku fluorescencyjnego. Jeśli ceramika fluorescencyjna z metali ziem rzadkich charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną, wysoką odpornością na korozję, wysoką stabilnością i doskonałą wydajnością optyczną, może lepiej spełnić wymagania aplikacyjne białej diody LED o dużej mocy i dużej gęstości energii. Mikronanoproszki o wysokiej aktywności spiekania i wysokiej dyspersji stały się ważnym warunkiem wstępnym przygotowania funkcjonalnej ceramiki optycznej o wysokiej przezroczystości z pierwiastkami ziem rzadkich i wysokiej wydajności optycznej.
03. Nanomateriały luminescencyjne konwertujące pierwiastki ziem rzadkich
Luminescencja z konwersją w górę to specjalny rodzaj procesu luminescencji charakteryzujący się absorpcją wielu fotonów o niskiej energii przez materiały luminescencyjne i generowaniem emisji fotonów o wysokiej energii. W porównaniu z tradycyjnymi organicznymi cząsteczkami barwników lub kropkami kwantowymi, nanomateriały luminescencyjne z konwersją w górę pierwiastków ziem rzadkich mają wiele zalet, takich jak duże przesunięcie anty Stokesa, wąskie pasmo emisji, dobra stabilność, niska toksyczność, duża głębokość penetracji tkanek i niskie spontaniczne zakłócenia fluorescencji. Mają szerokie perspektywy zastosowania w dziedzinie biomedycyny.
W ostatnich latach nanomateriały luminescencyjne z konwersją w górę pierwiastków ziem rzadkich poczyniły znaczny postęp w syntezie, modyfikacji powierzchni, funkcjonalizacji powierzchni i zastosowaniach biomedycznych. Ludzie poprawiają wydajność luminescencji materiałów, optymalizując ich skład, stan fazowy, rozmiar itp. w nanoskali i łącząc strukturę rdzeń/powłoka w celu zmniejszenia centrum wygaszania luminescencji, aby zwiększyć prawdopodobieństwo przejścia. Poprzez modyfikację chemiczną należy opracować technologie o dobrej biokompatybilności w celu zmniejszenia toksyczności oraz opracować metody obrazowania w celu konwersji żywych komórek luminescencyjnych w górę i in vivo; Opracowanie skutecznych i bezpiecznych metod sprzęgania biologicznego w oparciu o potrzeby różnych zastosowań (komórki do wykrywania odporności, obrazowanie fluorescencyjne in vivo, terapia fotodynamiczna, terapia fototermiczna, leki o kontrolowanym uwalnianiu światła itp.).
Badanie to ma ogromny potencjał aplikacyjny i korzyści ekonomiczne, a także ma ważne znaczenie naukowe dla rozwoju nanomedycyny, promocji zdrowia ludzkiego i postępu społecznego.
Nr 2 Nanomagnetyczne materiały ziem rzadkich
Materiały z magnesami trwałymi ziem rzadkich przeszły trzy etapy rozwoju: SmCo5, Sm2Co7 i Nd2Fe14B. Jako szybko hartowany proszek magnetyczny NdFeB do klejonych materiałów z magnesami trwałymi, wielkość ziaren waha się od 20 nm do 50 nm, co czyni go typowym nanokrystalicznym materiałem na magnesy trwałe na bazie pierwiastków ziem rzadkich.
Materiały nanomagnetyczne ziem rzadkich charakteryzują się niewielkim rozmiarem, strukturą jednodomenową i wysoką koercją. Zastosowanie magnetycznych materiałów rejestrujących może poprawić stosunek sygnału do szumu i jakość obrazu. Ze względu na niewielkie rozmiary i wysoką niezawodność jego zastosowanie w układach mikrosilnikowych stanowi ważny kierunek rozwoju nowej generacji silników lotniczych, kosmicznych i morskich. W przypadku pamięci magnetycznej, płynu magnetycznego i materiałów Giant Magneto Resistance wydajność można znacznie poprawić, dzięki czemu urządzenia stają się wydajne i zminiaturyzowane.
Nr 3Nano pierwiastków ziem rzadkichmateriały katalityczne
Materiały katalityczne zawierające pierwiastki ziem rzadkich obejmują prawie wszystkie reakcje katalityczne. Ze względu na efekty powierzchniowe, efekty objętościowe i efekty wielkości kwantowych, nanotechnologia pierwiastków ziem rzadkich coraz bardziej przyciąga uwagę. W wielu reakcjach chemicznych stosuje się katalizatory ziem rzadkich. Jeśli zastosuje się nanokatalizatory ziem rzadkich, aktywność katalityczna i wydajność zostaną znacznie poprawione.
Nanokatalizatory ziem rzadkich są powszechnie stosowane w katalitycznym krakingu ropy naftowej i oczyszczaniu spalin samochodowych. Najczęściej stosowanymi materiałami nanokatalitycznymi pierwiastków ziem rzadkich sąCeO2ILa2O3, które można stosować jako katalizatory i promotory, a także nośniki katalizatorów.
Nr 4Nanotlenek cerumateriał chroniący przed promieniowaniem ultrafioletowym
Nanotlenek ceru jest znany jako środek izolujący w ultrafiolecie trzeciej generacji, zapewniający dobry efekt izolacji i wysoką przepuszczalność. W kosmetykach jako środek izolujący promieniowanie UV należy stosować nanocerony o niskiej aktywności katalitycznej. Dlatego zainteresowanie rynku i uznanie materiałów chroniących przed promieniowaniem ultrafioletowym nanotlenku ceru są duże. Ciągłe doskonalenie integracji układów scalonych wymaga nowych materiałów do procesów produkcji układów scalonych. Nowe materiały mają wyższe wymagania dotyczące płynów polerskich, a półprzewodnikowe płyny polerskie zawierające pierwiastki ziem rzadkich muszą spełniać te wymagania, charakteryzując się większą szybkością polerowania i mniejszą objętością polerowania. Materiały polerskie zawierające nano pierwiastki ziem rzadkich mają szeroki rynek.
Znaczący wzrost liczby samochodów spowodował poważne zanieczyszczenie powietrza, a instalacja katalizatorów do oczyszczania spalin samochodowych jest najskuteczniejszym sposobem kontroli zanieczyszczeń spalin. Kompozytowe tlenki nanoceru i cyrkonu odgrywają ważną rolę w poprawie jakości oczyszczania gazów resztkowych.
Nr 5 Inne nanomateriały funkcjonalne
01. Materiały nanoceramiczne ziem rzadkich
Proszek nano ceramiczny może znacznie obniżyć temperaturę spiekania, która jest o 200 ℃ ~ 300 ℃ niższa niż proszek inny niż nano ceramiczny o tym samym składzie. Dodanie nano CeO2 do ceramiki może obniżyć temperaturę spiekania, zahamować wzrost sieci i poprawić gęstość ceramiki. Dodawanie pierwiastków ziem rzadkich, takich jakY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2może zapobiegać przemianie fazowej w wysokiej temperaturze i kruchości ZrO2 oraz uzyskać ceramiczne materiały konstrukcyjne wzmocnione transformacją fazową ZrO2.
Ceramika elektroniczna (czujniki elektroniczne, materiały PTC, materiały mikrofalowe, kondensatory, termistory itp.) przygotowana przy użyciu ultradrobnych lub nanoskali CeO2, Y2O3,Nd2O3, Sm2O3itp. mają ulepszone właściwości elektryczne, termiczne i stabilność.
Dodanie fotokatalitycznych materiałów kompozytowych aktywowanych pierwiastkami ziem rzadkich do formuły glazury umożliwia przygotowanie antybakteryjnej ceramiki zawierającej pierwiastki ziem rzadkich.
02.Materiały cienkowarstwowe nano ziem rzadkich
Wraz z rozwojem nauki i technologii wymagania dotyczące wydajności produktów stają się coraz bardziej rygorystyczne, co wymaga ultradrobnych, ultracienkich, ultrawysokiej gęstości i ultrawypełniających produktów. Obecnie opracowuje się trzy główne kategorie nanofolii metali ziem rzadkich: nanofolie złożone z metali ziem rzadkich, nanofolie z tlenków metali ziem rzadkich i folie nanostopów metali ziem rzadkich. Nanofolie ziem rzadkich odgrywają również ważną rolę w przemyśle informacyjnym, katalizie, energetyce, transporcie i medycynie.
Wniosek
Chiny są głównym krajem w zasobach ziem rzadkich. Rozwój i zastosowanie nanomateriałów pierwiastków ziem rzadkich to nowy sposób efektywnego wykorzystania zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Aby poszerzyć zakres zastosowań pierwiastków ziem rzadkich i promować rozwój nowych materiałów funkcjonalnych, należy ustanowić nowy system teoretyczny w teorii materiałów, aby sprostać potrzebom badawczym w nanoskali, zapewnić lepszą wydajność nanomateriałów ziem rzadkich i spowodować pojawienie się nowych właściwości i funkcji.
Czas publikacji: 29 maja 2023 r